《光电检测技术》PPT课件
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光电检测技术光电检测应用基础知识教学PPT
外层电子的共有化较为显著，而内壳层因交叠少共 有化不十分显著。电子的共有化运动只能在原子中相似 的壳层间进行2，021如/8/233S壳层上的电子只能在所有原子的313S 壳层上做共有化运动。
2.能带的形成
电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微 小的差异。一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成N 个新的靠得很近的能级。这N个新能级之间能量差异极小， 而N值很大，于是这N个能级几乎连成一片而形成具有一定 宽度的能带。
易释放电子的原子称为施主。施主束缚电子的能量状态 称为施主能级Ed，位于禁带中比较靠近导带的位置，如下图 所示。施主能级Ed和导带底Ec间的能量差为ΔEd，它称为施 主电离能。这种由施主能级激发到导带中去的电子来导电的 半导体称为N型半导体。
容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状 态用受主能级Ea表示。也处于禁带之中，位于价带顶Ev附 近。Ea与Ev 之能量差ΔEa，称为受主电离能。这种由受主 控制材料导电性的半导体称为P型半导体。在P型半导体中， 自由空穴浓度高于自由电子浓度。
Ie
o
I
e
d
2021/8/23
4
其余物理量，如 Me 、Le 等意义与 Ie 相仿。
1.1.2. 光度学基本物理量
人为眼了是从最数常量用上的描可述见人光眼接对受各器种。波对长不辐同波射长能的的电相磁对敏
辐感射度有，不引同入的视灵见敏函度数，V不同。人的眼睛，其灵敏度也有差异。
国际照明委员会从
ΔEd
Ec Ed
2021/8/23
Ev
ΔEa
Ec
Ea
17
Ev
1.2.2.热平衡下的载流子浓度 载流子浓度就是指单位体积内的载流子数量的多少。 在一定温度下，若没有外界作用，半导体中的载流子
2.能带的形成
电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微 小的差异。一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成N 个新的靠得很近的能级。这N个新能级之间能量差异极小， 而N值很大，于是这N个能级几乎连成一片而形成具有一定 宽度的能带。
易释放电子的原子称为施主。施主束缚电子的能量状态 称为施主能级Ed，位于禁带中比较靠近导带的位置，如下图 所示。施主能级Ed和导带底Ec间的能量差为ΔEd，它称为施 主电离能。这种由施主能级激发到导带中去的电子来导电的 半导体称为N型半导体。
容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状 态用受主能级Ea表示。也处于禁带之中，位于价带顶Ev附 近。Ea与Ev 之能量差ΔEa，称为受主电离能。这种由受主 控制材料导电性的半导体称为P型半导体。在P型半导体中， 自由空穴浓度高于自由电子浓度。
Ie
o
I
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4
其余物理量，如 Me 、Le 等意义与 Ie 相仿。
1.1.2. 光度学基本物理量
人为眼了是从最数常量用上的描可述见人光眼接对受各器种。波对长不辐同波射长能的的电相磁对敏
辐感射度有，不引同入的视灵见敏函度数，V不同。人的眼睛，其灵敏度也有差异。
国际照明委员会从
ΔEd
Ec Ed
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Ev
ΔEa
Ec
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17
Ev
1.2.2.热平衡下的载流子浓度 载流子浓度就是指单位体积内的载流子数量的多少。 在一定温度下，若没有外界作用，半导体中的载流子
《光电检测技术》课件
生物医学
光电检测技术在生物医学领域的 应用包括光谱分析、荧光成像、 激光共聚焦显微镜等，有助于疾 病的诊断和治疗。
工业生产
光电检测技术在工业生产中的应 用包括产品质量检测、生产线自 动化控制等，可以提高生产效率 和产品质量。
光电检测技术的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，光电检测技术 将逐渐实现智能化，能够自动识别和分类
目标，提高检测精度和效率。
微型化
随着微纳加工技术的发展，光电检测器件 将逐渐微型化，能够应用于更广泛的领域
，如生物医疗、环境监测等。
高光谱成像
高光谱成像技术能够获取目标的多光谱信 息，有助于更准确地分析物质成分和状态 ，是光电检测技术的重要发展方向。
多模态融合
将多种光电检测技术进行融合，实现多模 态信息获取和分析，能够提高检测的准确 性和可靠性。
利用光电检测技术快速读取条形码的设备
详细描述
光电式条形码阅读器通过发射光源和接收装置，快速扫描条形码并将光信号转 换成电信号，实现快速、准确地读取条形码信息。广泛应用于超市、图书馆、 物流等领域，提高信息录入效率和准确性。
光电式指纹识别系统
总结词
利用光电检测技术进行指纹识别的系统
详细描述
光电式指纹识别系统通过发射光源和图像传感器，获取指纹的反射光信号，再转换成电信号进行处理。系统能够 实现高精度、高速度的指纹识别，广泛应用于身份认证、门禁控制等领域，提高安全到探测器表面时，光子与材料中的电子相 互作用，使电子从束缚状态跃迁到导带，形成光生电压或电流，从而实现对光 信号的探测。
03
常见的光伏探测器有硅、锗等。
光子探测器
光子探测器是利用光子效应制成的探测器，主要应用于紫外、可见和近红外波段的探测。
《光电检测技术基础》课件
信息量大
光电检测技术受到环境因素的影响较大，如温度、湿度、光照等，可能导致测量误差。
对环境条件敏感
光电检测设备通常较为昂贵，对于一些小型企业和实验室而言，购置和维护成本较高。
设备成本高
光电检测技术需要专业的知识和技能，操作和维护需要专业人员，限制了其在某些领域的应用。
专业性强
由于获取的信息量大，对数据的解读和分析需要较高的专业水平，增加了使用难度。
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程测量等特点。它主要用于测量温度、压力、位移等参数，在石油化工、航空航天、交通运输等领域有广泛应用。
光电检测技术的优缺点分析
05
光电检测技术利用光子与物质的相互作用，能够实现高精度的测量，尤其在光谱分析、激光雷达等领域具有显著优势。
数据解读难度大
通过改进设备结构和材料，降低环境因素对检测结果的影响，提高检测的稳定性和可靠性。
提高稳定性与可靠性
加强光电检测技术与其它相关领域的交叉融合，如物理学、化学、生物学等，拓展其在前沿科学研究中的应用。
多学科交叉融合
通过技术优化和规模化生产，降低光电检测设备的成本，促进其在更广泛领域的推广应用。
光电式传感器的应用非常广泛，例如在自动控制系统中用于检测光束的通断，在测量领域用于检测物体的位置和尺寸，在环保领域用于检测烟尘、水质等。
光电式传感器通常由光电器件、测量电路和机械装置组成，其中光电器件是核心部分，其性能直接影响传感器的测量精度和稳定性。
红外检测技术是一种利用红外辐射进行检测的技术，具有非接触、高精度、高灵敏度等特点。它主要用于测量温度、气体浓度、湿度等参数，在工业生产和科学研究等领域有广泛应用。
显示系统
光电检测技术PPT培训课件
光电检测技术的发展趋势
总结词
光电检测技术未来将朝着高精度、高速度、智能化方向发展。
详细描述
随着科技的不断进步，光电检测技术将进一步提高检测精度和速度，实现更快速、更准确的信息获取 和处理。同时，光电检测技术将与人工智能、机器学习等技术相结合，实现智能化检测和自动化决策 ，为各领域的快速发展提供有力支持。
各类光电检测技术的应用场景
可见光检测技术
广泛应用于图像采集、安防监控、交通拍 照等领域。
激光雷达技术
广泛应用于机器人导航、无人驾驶、智能 制造等领域。
红外检测技术
广泛应用于温度测量、无损检测、消防报 警等领域。
X射线检测技术
广泛应用于医疗影像、工业无损检测、安 全检查等领域。
紫外检测技术
广泛应用于荧光显微镜、化学分析仪器、 环境监测等领域。
04
光电检测技术的实际应用案例
光电检测技术在工业自动化中的应用
总结词
质量检测
光电检测技术在工业自动化领域的应用广 泛，主要用于生产线上的质量检测、位置 检测和速度控制等。
通过光电检测技术对生产线上的产品进行 表面缺陷、尺寸、重量等质量参数的检测 ，确保产品质量符合要求。
位置检测
速度控制
利用光电检测技术对生产线上的产品位置 进行精确检测，实现自动化控制和调整。
详细描述
光电检测技术利用光子与电子的相互作用，将光信号转换为电信号，实现对各 种物理量、化学量和生物量的检测。该技术具有高精度、高灵敏度、高可靠性 等优点，广泛应用于各个领域。
光电检测技术的应用领域
总结词
光电检测技术在多个领域都有广泛应用。
详细描述
在工业自动化领域，光电检测技术用于产品质量检测、生产线监控等；在医疗领域，光电检测技术用于医疗诊断、 生物分析等；在环保领域，光电检测技术用于环境监测、水质分析等；在通信领域，光电检测技术用于光纤通信、 高速数据传输等。
光电检测技术文档ppt
特点：克服单频干涉仪的漂移问题； 细分变得容易； 提高了抗干扰性能。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
两束入射光：偏振方向相同、传 播方向平行、重合后垂直入射到 光电探测器上，光波场的合成产 生了和频、差频光强信号。当差 频信号频率在探测器频率响应区 域时形成输出电信号。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 被探测信号光功率
本振光功率
Ps
E
2 s
2
PL
E
2 L
2
光外差检测输出功率
P IFi2R L2E s2 2 E L2R L2 h e 2P sP LR L
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 光电直接探测输出功率为
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 直接探测时用滤波片滤除背景光
1nm
对应的光频带宽度为
f
c
2
0.3
2
二氧化碳激光的10.6微米波长
f 3GHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 光外差产生差频信号转换成电信号，频率远远低于探测光 的频率。光外差信号对应的频率宽度为
fIFf fSfL
CO2激光多普勒效应测物体运动速率 10m / s
fIF2cufL2uL 1.89MHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(4)光外差探测的极限灵敏度
考虑到光电探测器的内部增益，散粒噪声、热噪声，光外 差探测器的噪声为
P n 2 G 2 e h eP s P b P L Id fIF R L 4 K T fIF R L
输出信号有效功率为
3.2.1 光电外差检测的基本原理
两束入射光：偏振方向相同、传 播方向平行、重合后垂直入射到 光电探测器上，光波场的合成产 生了和频、差频光强信号。当差 频信号频率在探测器频率响应区 域时形成输出电信号。
3.2.1 光电外差检测的基本原理
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 被探测信号光功率
本振光功率
Ps
E
2 s
2
PL
E
2 L
2
光外差检测输出功率
P IFi2R L2E s2 2 E L2R L2 h e 2P sP LR L
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(1)光外差探测增益 光电直接探测输出功率为
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 直接探测时用滤波片滤除背景光
1nm
对应的光频带宽度为
f
c
2
0.3
2
二氧化碳激光的10.6微米波长
f 3GHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(3)光外差探测的滤波特性 光外差产生差频信号转换成电信号，频率远远低于探测光 的频率。光外差信号对应的频率宽度为
fIFf fSfL
CO2激光多普勒效应测物体运动速率 10m / s
fIF2cufL2uL 1.89MHz
3.2.2 光电外差检测的基本特性
(4)光外差探测的极限灵敏度
考虑到光电探测器的内部增益，散粒噪声、热噪声，光外 差探测器的噪声为
P n 2 G 2 e h eP s P b P L Id fIF R L 4 K T fIF R L
输出信号有效功率为
光电检测技术光电检测应用基础知识教学PPT
一面元dA。若dA所对应的立体角 d内的辐通量为 de，则面源在此 方向上的辐亮度为
Le
dS
d 2e
cos d
式中 dS cos 是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮 度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单 位立体角的辐通量。单位为W／(m2·sr)。
4、辐出度Me
M e
de dS
光发 强热强出度其力度为频“它学在坎为(率1光温国德/1为6c度度际8拉d53的4学、单)是W0点×单物位指/s光1位质制r光0”源1从的中源2H在发量是在z的1光、以给sr单强发长的定色度光立方辐单强、体向射位度质角上，c这量内的d且导7、的发个在出时光光量此。间通强为方例、量度基向如电。，本上1流该l量m的、光.是6辐源发
国际照明委员会从
许多人的大量观察结果 中取其平均值，得出视
?
见函数 V - 的曲线如
下图所示，
图中虚线是暗视觉视见函数?实线是明视觉视见函数?
数其值它人为波眼1长。对, 于V波长1为,5而55在nm可的见绿光色谱光以最外敏的感波，段取V其 视0见函
在380～780nm的区域里，各种波长对应的的视见函数
d LcosdSd
假设此朗伯源为不透明物质，其辐射通量仅仅分布
在半球空间内
d rd r sin d sin dd
r2
所以此面源的总辐通量为
Lds
0
cos
sin
d
2 o
d
LdS
根据辐出度的定义，可得朗伯源的辐出度与辐亮度
的关系
M L
2、辐强度Ie
Ie
d e d
辐射通量
《光电检测技术》PPT课件
lim E Βιβλιοθήκη P dP0 A dA
10
二、光度量
光度量与人眼有关联，所以只与可见光发生联系。
为避免混淆，在辐射度量符号上加下标“e”，而在光度量符号上加下标“v”
1. 视见函数
光视效能
K v e
光谱光视效能
K () v
e
K（λ）值表示在某一波长上，每1W光功率对目视引起刺激的光通量
光视效能与光谱光视效能的关系
、() 、 (都) 是波(长)的函数
分别称为光谱反射率 、光谱吸收率 、光谱透射率
27
2. 朗伯定律和朗伯—比耳定律
（1）朗伯定律 （吸收定律） 只考虑介质的吸收 设有一平行辐射束在均匀（即不考虑散射）的吸收介质内传播距离为dx 路程之后，其辐射功率减少dP ，实验证明，被介质吸收掉的辐射功率的相对 值 dP/P 与通过的路程dx 成正比
1 Myriametre
万 米 = 1 mam = 104 metres
间 1 Kilometre
千 米 = 1 km
= 103 metres
1 Hectometre 百 米 = 1 hm
= 102 metres
1 Decametre
十 米 = 1 dam = 10 metres
1 Metre
米 = 1m
22
2. 互易定理
设有两个面积分别为A1 和 A2 的均匀朗伯辐射面，其辐射亮度分别为L1 和 L2
P12
L1 cos1
cos2
l2
1
2
P21
L2
cos1
cos2
l2
1
2
两朗伯面所接收到的
P12 L1
辐射功率之比
《光电检测技术》课件-光电池
f/ Hz
图7-18 硅光电池的频率特性
2023/4/26
7
(4) 温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路 电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温 度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标， 因此温度特性是光 电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图19所示。从图中看出， 开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓 慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元 件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。
2023/4/26
11
不宜用作电压源。
2023/4/26
4
图16 硅光电池的光谱特性
10 0
80 硒
60
硅
S /%
40
20
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0 400 600 800 1000 1200
/ nm
5
图 17 硅光电池的光照特性
Байду номын сангаас
光 生 电 流 / mA 光 生 电 压 /V
0.3 0.2 0.1
0
2023/4/26
0.6
开 路 电压
0.4
短 路 电流
0.2
2 000
0 4 000
照 度 / lx
6
相 对 光 电 (流%) /
（3） 频率特性 图18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标 表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。
10 0 硅 光 电池
80
60 硒 光 电池
40
20
0 1500 3000 4500 6000 7500
S4.7、光电池
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3.3.2.硅光电三极管 硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极电路的电流
区应用最多的是硅光电二极管。
3.3.1.硅光电二极管结构及工作原理
硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，不同的地方是： ①就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高，约为1016～1019原 子数／厘米3，而硅光电二极管掺杂浓度约为1012～1013原子数／厘米 3；②光电池的电阻率低，约为0.1～0.01欧姆／厘米，而硅光电二极 管则为1000欧姆／厘米，③光电池在零偏置下工作，而硅光电二极 管在反向偏置下工作；④一般说来光电池的光敏面面积都比硅光电 二极管的光敏面大得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常 在微安级。
两种工作模式:光伏工作模式和光电导工作模式。
2.光照下PN结的电流方程
有光照 情况
IL I p ID I p I0(eqV / kT 1)
Ip SE E
I L SE E I载电阻RL断开(IL＝0)时，p端对n端的电压称为开路电压，用Voc表示
不同照度时的伏-安特性曲线一般硅光电池工作在 第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏
安特性将延伸到第三象限
硅光电池的电流 方程式
IL I p ID I p I0 (eqV /kT 1) SE E I0 (eqV /kT 1)
I L I0 (eqV / kT 1) I D
伏安特性曲线处于第一象限。
受光照后，光生电子-空穴对在电场作用下形成大于I0 的光电流，并且方向与I0相同，因此曲线将沿电流轴向下 平移到第四象限，平移的幅度与光照的变化成正比，即
Ip=SEE。光电池就是依据这个原理工作的。
当PN结上加有反偏压时，暗电流随反向偏压的增大有所增大， 最后等于反向饱和电流I0，而光电流Ip几乎与反向电压的高低无关。 光电二极管和光电三极管就工作在这个象限。
在热平衡条件下，PN结中净电流为零。如果有外加电压时结内平衡被破 坏，这时流过PN结的电流方程为
I D I 0eqV / kT I 0
3.1.2.光照下的p-n 结 1.PN结光伏效应
PN结受光照射时，就会在结区产生电子-空穴对。受内建电场的作用， 空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场 方向相反的光生电动势，这就是光生伏特效应。
当E=0时
式中，ID是结电流，I0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现 的暗电流。
当IL＝0时，RL=∞(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示
Voc
kT ln( I p
q
I0
1)
当RL＝0 时所得的电流称 为光电池短路电流，以
Isc表示
当Ip>>I0
Voc (kT / q) ln(I p / I0 )
(a)结构示意图
工作原理如下图所示，
(b)符号
（c）电极结构
为便于透光和减 小串联电阻
硅光电池的电流方程
IL I p ID I p I0(eqV / kT 1)
3.2.2.硅光电池的特性参数 1.光照特性
光照特性主要有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。
它的开路电压Voc随着温度的升高而减小，其值约为2～3mV／oC； 短路电流Isc随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为
10-5～10-3mA/oC数量级。
§3.3 硅光电二极管和硅光电三极管 光电二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外
光谱区。光电二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零偏置状态。 制作光电二极管的材料有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，目前在可见光
§3.2 硅光电池 光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号。
按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池 光电池是一个PN结，根据制作PN结材料的不同，光电池有硒光电池，
硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四种。
硅光电池按基底材料不同分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是 以P型硅作基底，2CR型光电池则是以N型硅作基底，然后在基底上扩散磷 （或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底和光敏面上制作输出电 极，涂上二氧化硅作保护膜，即成光电池。如下图所示。
为0.8～0.9μ m
3.频率特性 下图是硅光电池的频率特性曲线。由图可
见，负载大时频率特性变差，减小负载可减小 时间常数τ ，提高频响。但是负载电阻RL的减 小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求 而定。
4．温度特性 光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短路电
流Isc随温度变化的情况。光电池的温度曲线如下图所示。
第3章 结型光电器件
半导体结型光电器件是利用光生伏特效应来工作的光电探测器件。 结型光电器件包括光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN光电二极管 、雪崩光电二极管、光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD） 、光电耦合器件等。 按结的种类不同，可分为PN结型，PIN结型和肖特基结型等。
§3.1 结型光电器件工作原理 3.1.1.热平衡状态下的p-n结
I sc I p SE E
式中 SE表示光电池的光电灵敏度，E 表示入射光照度。
2.光谱特性 硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所
产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应表示。 在线性测量中，不仅要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时还要求与人
眼视见函数有相似的光谱响应特性。 下图是2CR型硅光电池的光谱曲线，其响应范围为0.4～1.1μ m，峰值波长
Voc
kT q
ln(1
Ip I0
)
Ip>>I0
Voc
kT q
ln( I p I0
)
kT q
ln( SE E ) I0
当负载电阻短路(即RL=0)时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短 路电流，用Isc表示
I sc I p SE E
无光照时，伏安特性曲线与一般二极管的伏 安特性曲线相同，二极管就工作在这 个状态，